Ральф Альфер: Американский космолог с русскими корнями.

Введение

Американский космолог (1921–2007)

Ральф Эшер Альфер (3 февраля 1921 – 12 августа 2007) – американский космолог, который в начале 1950-х годов выполнил новаторские исследования в области модели Большого взрыва, включая нуклеосинтез Большого взрыва и предсказания космического микроволнового фонового излучения.

Детство и образование

Альфер был сыном еврейского иммигранта Самуэля Альфера (Альфиревича) из Витебска, Российской империи. Его мать, Роуз Мэльсон, умерла от рака желудка в 1938 году, а его отец позже женился снова. Альфер окончил в возрасте 15 лет среднюю школу Теодора Рузвельта в Вашингтоне, округ Колумбия, и занимал должности майора и командира кадетской программы своей школы. Он работал в школьном театре в качестве менеджера сцены в течение двух лет, дополняя доход своей семьи в период Великой депрессии. Он также выучил стенографию Грегга, и в 1937 году начал работать стенографистом у директора Американского геофизического союза. В 1940 году он был принят на работу в Департамент земного магнетизма Фонда Карнеги, где работал с доктором Скотом Форбушем по контракту с ВМС США над разработкой методов дегауссирования кораблей во время Второй мировой войны. Он внес вклад в разработку детонаторов Mark 32 и Mark 45, торпед, систем управления военно-морской артиллерией, магнитной воздушной разведки (подводных лодок) и других сверхсекретных оружейных работ (включая проект «Манхэттен»), и был удостоен в конце войны награды за разработку военно-морского вооружения (10 декабря 1945 года — с символом) и еще одной награды за разработку военно-морского вооружения в 1946 году. Военная работа Альфера была несколько скрыта из-за секретности. С 1944 по 1955 год он работал в Лаборатории прикладной физики (APL). Днем он занимался разработкой баллистических ракет, систем наведения, сверхзвуковых технологий и смежных областей. В 1948 году он получил степень доктора философии по физике, защитив теорию нуклеосинтеза, основанную на захвате нейтронов, и с 1948 года сотрудничал с доктором Робертом К. Херманом, также из APL, над прогнозами космического микроволнового фонового излучения. Он получил степень бакалавра и продвинутые степени магистра физики в Университете Джорджа Вашингтона, одновременно работая физиком по контракту с ВМС, а затем и для APL Университета Джона Хопкинса. В университете он познакомился с русским украинским физиком Джорджем Гамовым, который впоследствии взял его в качестве аспиранта. Гамов был видным советским перебежчиком и одним из авторитетных ученых на факультете GWU. Альфер предоставил необходимые математические навыки для поддержки теоретических разработок Гамова. Альфер написал докторскую диссертацию на тему «Происхождение элементов», и вскоре после получения докторской степени сделал первое предсказание о существовании «реликтового» излучения от гипотетической сингулярности — космического микроволнового фонового излучения. Это было подтверждено наблюдениями Арно Аллана Пензиаса и Роберта Уилсона в лаборатории Белла с использованием рупорного радиотелескопа. Во время учебы в GWU Альфер познакомился с Луизой Эллен Саймонс, которая изучала психологию в вечерней школе и работала дневным секретарем в Государственном департаменте. Почти через два месяца после нападения на Перл-Харбор Альфер и Луиза поженились. К тому времени он уже почти полтора года выполнял секретные работы для ВМС США через Институт Карнеги. Во время перерыва в научной работе в начале 1944 года он подал заявление в ВМС на получение офицерского звания, на которое имел право. К этому времени он выполнил столько секретных работ, что больше не подлежал призыву (наряду с примерно 7000 другими) и ему было запрещено поступать на военную службу. Этим летом он подписал контракт с APL при Университете Джона Хопкинса для работы над другим секретным проектом — новым взрывателем торпеды с магнитным воздействием. Это было крайне необходимо, поскольку торпеда Mark 14, оснащенная плохо протестированным взрывателем, магнитный компонент которого был отключен по приказу начальника военно-морских операций в конце 1943 года, остро нуждалась в замене (V. S. Alpher, The Submarine Review, октябрь 2009 года).

Alpher was the son of a Jewish immigrant, Samuel Alpher ( Alfirevich), from Vitebsk, Russian Empire. His mother, Rose Maleson, died of stomach cancer in 1938, and his father later remarried. Alpher graduated at age 15 from Theodore Roosevelt High School in Washington, D. C., and held the ranks of Major and Commander of his school's Cadet program. He worked in the high school theater as stage manager for two years, supplementing his family's Depression era income. He also learned Gregg shorthand, and in 1937 began working for the director of the American Geophysical Union as a stenographer. In 1940, he was hired by the Department of Terrestrial Magnetism of the Carnegie Foundation, where he worked with Dr. Scott Forbush under contract for the U. S. Navy to develop ship degaussing techniques during World War II. He contributed to the development of the Mark 32 and Mark 45 detonators, torpedoes, Naval gun control, Magnetic Airborne Detection (of submarines), and other top secret ordnance work (including the Manhattan Project), and he was recognized at the end of the War with the Naval Ordnance Development Award (December 10, 1945 — with Symbol), and another Naval Ordnance Development award in 1946. Alpher's war time work been somewhat obscured by security classification. From 1944 through 1955, he was employed at the Applied Physics Laboratory (APL). During the daytime he was involved in the development of ballistic missiles, guidance systems, supersonics, and related subjects. In 1948, he earned his Ph. D. in physics with a theory of nucleosynthesis called neutron capture, and from 1948 onward collaborated with Dr. Robert C. Herman, also at APL, on predictions of the cosmic microwave background radiation. He earned his bachelor's degree and advanced graduate degrees in physics from George Washington University, all the while working as a physicist on contract to the Navy, and eventually for the Johns Hopkins University APL. He met Russian Ukrainian physicist George Gamow at the University, who subsequently took him on as his doctoral student. Gamow was a prominent Soviet defector and one of the luminaries on the GWU faculty. Alpher provided much needed mathematical ability to support Gamow's theorizing. Alpher wrote his doctoral thesis on "The Origin of the Elements", and soon after obtaining his doctorate, made the first prediction of the existence of "fossil" radiation from a hypothetical singularity—the Cosmic Microwave Background Radiation. This was observationally confirmed by Arno Allan Penzias and Robert Wilson at Bell Labs using a horn radio telescope. While attending GWU, Alpher met Louise Ellen Simons, who was majoring in psychology at night school and working as a day secretary with the State Department. Nearly two months after the attack on Pearl Harbor, Alpher and Louise were married. At this time he had already done classified work for the U. S. Navy through the Carnegie Institution for nearly one and a half years. During a hiatus in his scientific work in early 1944, he did apply to the Navy for a commission, for which he was eligible. By this time he had done so much classified and secret work that he was no longer subject to the draft (along with about 7,000 others), and was prohibited from enlistment. That summer, he signed on to APL at Johns Hopkins University to work on another classified project — a new magnetic influence torpedo exploder. This was badly needed since the Mark 14 torpedo, which had a poorly tested exploder that had its magnetic component turned off by order of the Chief of Naval Operations in late 1943, was badly in need of replacement (V. S. Alpher, The Submarine Review, October 2009).

Теория нуклеосинтеза Большого взрыва

Диссертация Альфера 1948 года была посвящена вопросу, который впоследствии стал известен как нуклеосинтез Большого взрыва. Нуклеосинтез – это объяснение того, как более сложные элементы образуются из простых элементов в первые моменты после Большого взрыва. Сразу после Большого взрыва, когда температура была чрезвычайно высокой, любые ядерные частицы, такие как нейтроны и протоны, при объединении (удерживаемые вместе силой ядерного притяжения) немедленно расщеплялись бы высокоэнергетическими фотонами (квантами света), присутствующими в условиях высокой плотности. Иными словами, при такой экстремальной температуре кинетическая энергия фотонов превышала бы энергию связи сильного ядерного взаимодействия. Например, если протон и нейтрон объединялись (образуя дейтерий), они немедленно распадались бы под воздействием высокоэнергетического фотона. Однако по мере течения времени Вселенная расширялась и охлаждалась, а средняя энергия фотонов уменьшалась. В какой-то момент, примерно через секунду после Большого взрыва, сила ядерного притяжения начала бы преобладать над фотонами и нейтронами с меньшей энергией, и протоны начали бы формировать стабильные ядра дейтерия. По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной дополнительные ядерные частицы связывались бы с этими легкими ядрами, образуя более тяжелые элементы, такие как гелий и так далее. Альфер утверждал, что Большой взрыв создал бы водород, гелий и более тяжелые элементы в правильных пропорциях, объясняющих их распространенность в ранней Вселенной. Первоначальная теория Альфера и Гамова предполагала, что все атомные ядра образуются путем последовательного захвата нейтронов, по одной единице массы за раз. Однако последующие исследования опровергли универсальность теории последовательного захвата, поскольку не было обнаружено ни одного элемента со стабильным изотопом с атомной массой пять или восемь, что затрудняло образование элементов тяжелее гелия. В конечном итоге было признано, что большинство тяжелых элементов, наблюдаемых в современной Вселенной, являются результатом звездного нуклеосинтеза в звездах – теории, в основном разработанной Хансом Бете, Уильямом Фаулером и Субрахманьяном Чандрасекаром. Бет был добавлен в состав диссертационного совета Альфера в самый последний момент. Поскольку диссертация Альфера считалась новаторской, на ее защите присутствовало более 300 человек, включая представителей прессы, и в крупных газетах появились статьи о его предсказаниях и карикатура Герблока. Для докторской диссертации это было весьма необычно. Позже в том же году, сотрудничая с Робертом Херманом, Альфер предсказал температуру остаточного излучения, известного как космическое микроволновое фоновое излучение, возникающего в результате гипотетического Большого взрыва. Однако предсказания Альфера относительно космического фонового излучения были в значительной степени забыты, пока их не заново открыли Роберт Дикке и Яков Зельдович в начале 1960-х годов. Существование космического микроволнового фонового излучения и его температура были экспериментально измерены в 1964 году двумя физиками из Лабораторий Белла в Нью-Джерси, Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном, которые были удостоены Нобелевской премии по физике за эту работу в 1978 году. Элементы независимой диссертации Альфера были впервые опубликованы 1 апреля 1948 года в журнале Physical Review с тремя авторами: Альфером, Хансом Бете и Гамовым. Хотя его имя указано в статье, Бет не принимал непосредственного участия в разработке теории, хотя позже работал над смежными темами; Гамов добавил свое имя, чтобы список авторов звучал как Альфер, Бет, Гамов – игра слов, основанная на альфа, бета, гамма (α, β, γ), первых трех буквах греческого алфавита. Гамов пошутил, что "ходил слух, что позже, когда теория альфа, бета, гамма временно оказалась под угрозой, Бет всерьез рассматривал возможность сменить свое имя на Захарию". Говоря о Роберте Хермане, он писал: "Р. К. Херман, который упорно отказывается менять свое имя на Дельтер". Альфер опасался, что юмор, привнесенный Гамовым, мог заслонить его собственную важную роль в разработке теории. В 2005 году Альфер был удостоен Национальной медали в области науки за его оригинальные работы по нуклеосинтезу и предсказанию космического микроволнового фонового излучения. Альфер и Роберт Херман были удостоены медали Генри Дрейпера Национальной академии наук в 1993 году. Они также были удостоены премии Магеллана Американского философского общества в 1975 году, физической премии имени Жоржа Вандерлинда Бельгийской академии наук, а также значимых наград Нью-Йоркской академии наук и Института Франклина в Филадельфии. За эмпирические работы, связанные с космическим микроволновым фоновым излучением, было присуждено две Нобелевские премии по физике – в 1978 году Арно Пензиасу и Роберту Уилсону и в 2006 году Джону Мэтеру и Джорджу Смуту. В 2005 году Альфер был удостоен Национальной медали в области науки. В цитате к награде говорится: "За его беспрецедентную работу в области нуклеосинтеза, за предсказание того, что расширение Вселенной оставляет после себя фоновое излучение и за создание модели теории Большого взрыва". Медаль была вручена его сыну, доктору Виктору С. Альферу, 27 июля 2007 года президентом Джорджем Бушем-младшим, поскольку его отец не мог присутствовать на церемонии награждения.

Alpher's dissertation in 1948 dealt with a subject that came to be known as Big Bang nucleosynthesis. Nucleosynthesis is the explanation of how more complex elements are created out of simple elements in the moments following the Big Bang. Right after the Big Bang, when the temperature was extremely high, if any nuclear particles, such as neutrons and protons, became bound together (being held together by the attractive nuclear force) they would be immediately broken apart by the high energy photons (quanta of light) present in high density. In other words, at this extremely high temperature, the photons' kinetic energy would overwhelm the binding energy of the strong nuclear force. For example, if a proton and a neutron became bound together (forming deuterium), it would be immediately broken apart by a high energy photon. However, as time progressed, the universe expanded and cooled and the average energy of the photons decreased. At some point, roughly one second after the Big Bang, the attractive force of nuclear attraction would begin to win out over the lower energy photons and neutrons and protons would begin to form stable deuterium nuclei. As the universe continued to expand and cool, additional nuclear particles would bind with these light nuclei, building up heavier elements such as helium, etc. Alpher argued that the Big Bang would create hydrogen, helium and heavier elements in the correct proportions to explain their abundance in the early universe. Alpher and Gamow's theory originally proposed that all atomic nuclei are produced by the successive capture of neutrons, one mass unit at a time. However, later studies challenged the universality of the successive capture theory, since no element was found to have a stable isotope with an atomic mass of five or eight, hindering the production of elements beyond helium. It was eventually recognized that most of the heavy elements observed in the present universe are the result of stellar nucleosynthesis in stars, a theory largely developed by Hans Bethe, William Fowler and Subrahmanyan Chandrasekhar. Bethe had been a last minute addition to Alpher's dissertation examining committee. Since Alpher's dissertation was perceived to be ground breaking, over 300 people attended the dissertation defense, including the press, and articles about his predictions and a Herblock cartoon appeared in major newspapers. This was quite unusual for a doctoral dissertation. Later the same year, collaborating with Robert Herman, Alpher predicted the temperature of the residual radiation known as cosmic microwave background radiation resulting from the hypothesized Big Bang. However, Alpher's predictions concerning the cosmic background radiation were more or less forgotten until they were rediscovered by Robert Dicke and Yakov Zel'dovich in the early 1960s. The existence of the cosmic background radiation and its temperature were measured experimentally in 1964 by two physicists working for Bell Laboratories in New Jersey, Arno Penzias and Robert Wilson, who were awarded the Nobel Prize in Physics for this work in 1978. Elements of Alpher's independent dissertation were first published on April 1, 1948 in the Physical Review with three authors: Alpher, Hans Bethe and Gamow. Although his name appears on the paper, Bethe had no direct part in the development of the theory, although he later worked on related topics; Gamow added his name to make the author list Alpher, Bethe, Gamow, a pun on alpha, beta, gamma (α, β, γ), the first three letters of the Greek alphabet. Gamow joked that "There was, however, a rumor that later, when the alpha, beta, gamma theory went temporarily on the rocks, Bethe seriously considered changing his name to Zacharias". When referring to Robert Herman he wrote: "R. C. Herman, who stubbornly refuses to change his name to Delter." Alpher worried that the humor engendered by Gamow may have obscured his own critical role in developing the theory. With the award of the 2005 National Medal of Science, Alpher's original work on nucleosynthesis and the cosmic microwave background radiation prediction was recognised. Alpher and Robert Herman were awarded the Henry Draper Medal from the National Academy of Sciences in 1993. They were also awarded the Magellanic Premium of the American Philosophical Society in 1975, the Georges Vanderlinden Physics prize of the Belgian Academy of Sciences, as well as significant awards of the New York Academy of Sciences and the Franklin Institute of Philadelphia. Two Nobel Prizes in physics have been awarded for empirical work related to the cosmic background radiation — in 1978 to Arno Penzias and Robert Wilson and in 2006 to John Mather and George Smoot. In 2005 Alpher was awarded the National Medal of Science. The citation for the award reads "For his unprecedented work in the areas of nucleosynthesis, for the prediction that universe expansion leaves behind background radiation, and for providing the model for the Big Bang theory." The medal was presented to his son, Dr. Victor S. Alpher, on July 27, 2007 by President George W. Bush, as his father could not travel to receive the award.

Поздняя карьера

В 1955 году Альфер перешел на работу в Центр исследований и разработок компании General Electric. Его основной задачей в первые годы работы там было решение проблем возвращения аппаратов из космоса. В 1955 году Альфер и Герман подали заявки на должности в Университете Айовы, где ван Аллен в то время был заведующим кафедрой, однако академические зарплаты были слишком низкими по сравнению с оплатой труда в промышленности. Альфер также продолжал сотрудничать с Робертом Германом, который перешел в Исследовательскую лабораторию General Motors, над проблемами космологии. Космическое микроволновое фоновое излучение было окончательно подтверждено в 1964 году, хотя, оглядываясь назад, многие другие астрономы и радиоастрономы, вероятно, наблюдали его, не осознавая его космологической значимости. С 1987 по 2004 год он занимал должность выдающегося профессора физики и астрономии в Колледже Юниона в Шенектади, штат Нью-Йорк, где смог вернуться к исследовательской и преподавательской деятельности. На протяжении всего этого времени он продолжал публиковать значимые рецензируемые научные статьи и активно участвовал в общественной работе в поддержку Общественного телевидения. Альфер также был (1987–2004) директором обсерватории Дадли. В 1986 году он был удостоен награды «За выдающиеся достижения выпускников» Университета имени Джорджа Вашингтона. Все свои степени он получил, обучаясь по ночам, работая днем в военно-морском флоте и в Лаборатории прикладных исследований Университета Джонса Хопкинса. В 2004 году он перешел в штат почетных профессоров Колледжа Юниона и стал почетным директором обсерватории Дадли. Он также получил почетные степени доктора наук от Колледжа Юниона и Политехнического института Ренсселера. С 2005 года и до своей смерти он оставался почетным директором обсерватории Дадли и почетным выдающимся профессором физики и астрономии в Колледже Юниона.

Подход к науке

Альфер сказал Джозефу Д'Агнезе в интервью для журнала Discover: "Есть две причины, по которым люди занимаются наукой. Одна – альтруистическое чувство, что, возможно, ты можешь внести вклад в сокровищницу знаний человечества о мире. А другая, более личная, – ты хочешь признания коллег. Именно так, и ничего больше."

Личная жизнь и взгляды

Несмотря на то, что Альфер воспитывал еврейскую семью, он считал себя агностиком и гуманистом.

Семья

У него и его жены Луизы было двое детей и двое внуков.

Смерть

Альфер скончался 12 августа 2007 года после продолжительной болезни. Его здоровье стало ухудшаться после падения и перелома бедра в феврале 2007 года.